I minsta skala, vetenskap kan bli ganska konstigt. Så konstigt faktiskt att metaller och andra material kan ändras för att helt förändra deras egenskaper, som att göra dem motståndskraftiga mot vatten eller bakterier.

Detta är hörnstenen i ny forskning som undersöker ytornas dolda värld, med potential att förbättra vår vardag genom att göra diskmaskiner som rengör sig själva eller batterier som håller längre.

Ett viktigt genombrott som har gjort detta möjligt är ultrakortpulslasern. Fram till för 10 år sedan hade denna teknik varit för dyr och oförmögen att producera tillräckligt hög effekt för att orsaka intressanta effekter som skulle kunna tillämpas i industriell skala. Men det har nu utvecklats till en punkt där forskare kan använda det för att ändra strukturen på vardagliga föremål.

Elektroner

En ultrakort pulslaser är en laser som avfyrar vanliga strålar som varar mindre än 10 pikosekunder – eller 10 biljondelar av en sekund. Denna lilla pulsvaraktighet är tillräckligt kort för att den kan excitera elektroner på ytan av en metall och ändra dess egenskaper innan energin omvandlas till värme när elektronerna slappnar av, "eller återgå till ett stabilt tillstånd, mellan varje puls.

"Så det som händer är att du har många mycket upphetsade elektroner som reser runt på platsen, och sedan slappnar de av, och det omvandlas till värme i en träff, "sa Dr Adrian Lutey, en maskiningenjör och forskare vid University of Parma i Italien som arbetar med ett projekt som heter TresClean. "Och du kan framkalla några mycket intressanta ändringar på detta sätt."

TresClean tittar på sätt som ultrakorte pulslasrar kan förbättra ett antal branscher, särskilt livsmedelsindustrin och vitvaror - som diskmaskiner och tvättmaskiner - och undersöker gränserna för vad som kan vara möjligt.

Teamet undersöker hur metallytor kan göras resistenta mot vatten med hjälp av laser, inklusive en av världens mest kraftfulla ultrakorte pulslasrar vid universitetet i Stuttgart i Tyskland, med en genomsnittlig effekt på en kilowatt. Lasrarna skapar små nanogrooves på metallens yta, och genom att fånga luftbubblor, detta förhindrar att vatten fastnar på ytan. Denna grova yta har en liknande effekt som ett lotusblad, som har en ytkemi som förhindrar att vatten fastnar.

Antibakteriell

Med denna teknik, det är möjligt att skapa vätskeavvisande antibakteriella ytor. Bakterier trivs i vatten, så rör och annan utrustning måste rengöras regelbundet för att förhindra någon form av uppbyggnad-en process som tar både avsevärd tid och pengar. Men om ytan aldrig växte bakterier i första hand, detta problem skulle kunna utrotas.

"En analog är en spikbädd, bakteriecellerna har ingenstans de kan fästa sig vid, " sa Dr. Lutey. "Att använda lasertexturering för att producera ett antibakteriellt svar är banbrytande."

Hittills har resultaten varit lovande, med teamet som publicerar ett antal forskningsartiklar om hur effektiv tekniken kan vara. De hoppas att detta kan ha ett antal tillämpningar, till exempel inom livsmedelsförpackningsindustrin, där mjölk och andra flytande livsmedel transporteras med maskiner. Detta måste rengöras varannan timme med starka rengöringsprodukter.

"Om vi ​​kan minska mängden städning som krävs, vi kan minska stilleståndstiden och vi kan minska risken för kontaminering där rengöringsmedel hamnar i maten, sa Dr Lutey.

På samma sätt i diskmaskiner och tvättmaskiner, detta kan förhindra att en biofilm - en grupp bakterier - bildas inuti maskinen, vilket kan få en diskmaskin att lukta när bakterier flyter runt. Med laserbehandlade ytor, dessa produkter kan använda mindre vatten och också bli mindre smutsiga.

Lasertekniker kan tillämpas någon annanstans. Till exempel, båtar har ett vanligt problem att hantera en biofilm "slem" på sina skrov där bakterier har vuxit. Men om båtens skrov kunde göras vattenbeständigt, då skulle bakterierna inte ha någonstans att ta tag.

Batterier

Människor som har implantat eller kör elbil kan också dra nytta av dessa tekniker. Ett projekt som heter Laser4Surf använder ultrakorte laserpulser inom ett antal områden från batteriproduktion till medicin.

"Tanken bakom detta projekt är att utveckla prototyper som kan få olika egenskaper i metalliska ytor, " sa projektkoordinator Dr. Ainara Rodriguez från forskningscentret Ceit-IK4 i Spanien.

Hon och ett team av forskare utvecklar prototyper som använder mer än 800, 000 laserpulser för att värma material upp till 6, 000 ° C, som är varmare än solens yta. Detta sublimerar materialet, byter det från ett fast ämne till en gas, och gör att dess egenskaper kan ändras.

"Det vi gör är att bestråla (värma upp) materialets struktur med ultrasnabba laserpulser, vilket kan öka materialets vidhäftning, dess hydrofobicitet (förmågan att stöta bort vatten), eller färgen på själva metallen, " sa Dr Rodriguez.

Genom att använda lasrar för att öka ytan på batterier och förhindra överhettning, laget hoppas kunna öka sina livscykler med 30%, och deras kapacitet med upp till 60%. Detta ökar möjligheterna i framtiden för att skapa batterier för elbilar som laddas snabbare och håller längre. Inom medicin, lasertexturisering bör göra bindningen mellan mänskligt ben och implantat 80% starkare.

Avgörande för framstegen i denna forskning kommer att vara att bevisa att denna teknik kan utvecklas från laboratoriemiljö till industri. I juli i år, laget hoppas ha utvecklat olika prototyper som kan testa några av deras idéer, innan du sedan tittar på hur detta kan skalas upp för mer utbredd användning.